Weltrekord: Thermo-Diode arbeitet bei 600 K

3. April 2017, 13:00 Uhr
Illustration und Scans des NTM-Gleichrichters. Bilder: Elzouka & Ndao. Aus: Nature Scientific Reports.
Illustration und Scans des NTM-Gleichrichters. Bilder: Elzouka & Ndao. Aus: Nature Scientific Reports.
Forscher am University of Nebraska-Lincoln's Department of Mechanical & Materials Engineering gelang die Entwicklung einer NTM-Diode (NanoThermoMechanical) mit der bislang höchsten Betriebstemperatur von 600 K = 326 °C. Bei diesen Temperaturen würden aktuelle Silizium-Halbleiter auf der Stelle ihr Funktion einstellen. Mit NTM-Technik sollten zukünftig elektronische Bauelemente möglich sein, die weit mehr aushalten.
 
Sidy Ndao und Mahmoud Elzouka haben einen Artikel in der Fachzeitschrift Nature Scientific Reports veröffentlicht, in dem sie Prinzipien eines Gleichrichters beschrieben haben, der bei ungewöhnlich hohen Temperaturen noch funktioniert. Elektroniker haben bei so einer Meldung gleich das Bild von Elektronik vor Augen, die trotz Verlustleistung ohne spezielle Kühlmaßnahmen auskommt. Doch hier handelt es sich um eine gänzlich andere Art von Technik: Chips nach NanoThermoMechanical verwenden nämlich Wärme statt Elektrizität, um Daten zu verarbeiten. Aus diesem Grund kann NTM-Technik auch in widrigen Umgebungen bei hohen Umgebungstemperaturen eingesetzt werden. Diese Eigenschaft ist durchaus nützlich, wenn man z.B. an eine Sonde für die Venus denkt, denn bei den dort herrschenden rund 400 °C kann normale Elektronik ohne energieintensive Kühlung nicht lange überleben. Ähnliches gilt für Sonden in Tiefbohrungen für Geothermie etc.
 
Das Prinzip dieser thermischen Diode liegt darin, dass Wärme nur in eine Richtung übertragen wird, aber nicht in die gegensätzliche Richtung. Die thermische Energie entspricht also elektrischer Energie in konventionellen Dioden. Diese ungleichmäßige Wärmeleitung kommt dadurch zustande, dass bei unterschiedlichen Temperaturen zweier Anschlüsse sich der Spalt des NTM-Materials verändert und so die Wärmeleitung beeinflusst wird. Dieses Prinzip wurden den Forschern wohl erstmalig für eine Art Wärme-Diode praktisch eingesetzt. Das experimentelle Bauteil hatte 24 Paare sogenannter „moving“ und „fixed terminals“ sowie zwei Dünnfilm-Heizungen aus Platin. Ist der feste Anschluss heißer als der bewegende, ergibt sich ein großer Spalt und demnach eine geringe Wärmeleitung. Wird aber der bewegende Anschluss heißer, dann bewegt er sich – nomen est omen – Richtung fixer Anschluss: Der Spalt wird kleiner und die Wärmeleitung steigt. Die Wärmeleitung erfolgt hier physikalisch als Nahfeld-Wärmestrahlung, wobei Tunneleffekte zwischen zwei Oberflächen auftreten. Die hierzu notwendige Nanotechnik ist längst Standard in der Halbleiterfertigung.
 
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